Структура насоса M. tuberculosis показывает механизм устойчивости к антибиотику

Туберкулез — ведущая инфекционная причина смерти в мире, ежегодно уносящая более миллиона жизней. Антибиотик бедаквилин, представленный в 2012 году, стал первым новым препаратом против туберкулеза за более чем 40 лет. Он быстро стал ключевым лекарством во всех стандартных схемах лечения лекарственно-устойчивого туберкулеза. К сожалению, клинические штаммы Mycobacterium tuberculosis быстро становятся устойчивыми к бедаквилину, в основном за счет сверхэкспрессии белка MmpL5.

Белки MmpL5 и MmpL4 — это транспортные эффлюксные насосы, которые помогают патогену M. tuberculosis расти, захватывая необходимое железо из обедненных железом гранулем легких человека. Насосы секретируют молекулы микобактина, которые затем прочно связывают внешнее железо. Патоген использует другой молекулярный механизм для переноса микобактинов с железом обратно в клетку. К сожалению, сверхэкспрессированный MmpL5 также может выкачивать бедаквилин как «нежелательного пассажира», делая бактерии устойчивыми к препарату.

Исследователи из Университета Алабамы в Бирмингеме и Цюрихского университета определили структуру MmpL4 — близкого гомолога MmpL5 с той же функцией. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications в статье «Structural basis of siderophore export and drug efflux by Mycobacterium tuberculosis».

Структуру очищенного белка MmpL4 определили с помощью криогенной электронной микроскопии. Первая низкоразрешенная структура, полученная с помощью AlphaFold2, показала домен, пересекающий внутреннюю мембрану M. tuberculosis, и большую часть периплазматических доменов. Однако электронная плотность для необычного длинного (130 Å) спирального домена, предсказанного AlphaFold2, не была обнаружена. После его замены на короткий линкер исследователи определили структуру усеченного MmpL4 с разрешением 3.0 Å.

Структура показала 12 трансмембранных спиралей в двух псевдосимметричных пучках и два периплазматических субдомена. Эксперименты подтвердили, что спиральный домен, предсказанная модель которого простирается от одного из субдоменов к внешней мембране, как длинная антенна, необходим как в MmpL4, так и в MmpL5 для экспорта сидерофора микобактина и устойчивости к бедаквилину.

Другая структура MmpL4, связанного с десферированным микобактином, выявила точное место связывания микобактина в цитозольной области MmpL4, внутри внутренней мембраны. Мутации отдельных аминокислотных остатков показали, какие из них в сайте связывания являются важными, промежуточными или несущественными для связывания микобактина. Дальнейшая работа показала, что MmpL4 связывает бедаквилин в том же сайте, что и микобактин.

Мутации предполагаемых протон-связывающих остатков в MmpL4 и MmpL5 определили, какие из них необходимы для протонного транспорта — источника энергии для работы эффлюксных насосов.

Исследователи также случайно обнаружили, что кофактор микобактериального биосинтеза, MbtL, образует комплекс с MmpL4, что указывает на сопряжение синтеза и экспорта микобактина.

«Структурные и функциональные данные, представленные в этом исследовании, служат основой для рационального дизайна препаратов, которые одновременно блокируют секрецию микобактина и эффлюкс бедаквилина через MmpL4 и MmpL5», — заявил профессор Майкл Нидервайс. Это позволит разработать новые, крайне необходимые препараты против туберкулеза, использующие синергетический эффект отравления микобактином и повышения чувствительности M. tuberculosis к бедаквилину.